鑄造鋁輪轂用A356合金元素強(qiáng)化研究現(xiàn)狀

劉旦 周俊 段軍鵬

摘 ? 要：對(duì)A356的合金化改進(jìn)主要分為兩類：一種為成分調(diào)整，即不改變?cè)性胤N類，只調(diào)節(jié)各元素的配比，如Si、Mg、Mn等;另一種是通過添加新元素改進(jìn)合金性能，這其中以La、Y、Ce、Sc等稀土元素居多。改進(jìn)的途徑包括細(xì)化晶粒，改善硅相組織形貌，形成新的增強(qiáng)相等。本文對(duì)影響A356合金機(jī)械性能的元素進(jìn)行了概括分析，并提出了合金化改進(jìn)A356性能的建議。

關(guān)鍵詞：A356鋁合金 ?鋁輪轂 ?合金化

中圖分類號(hào)：TG142 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0063-02

1 ?引言

制造鋁制輪轂所使用的鋁合金材料包括A356、6061等。其中，A356被鑄造鋁制輪轂大量選用。A356鋁合金具有比重小，耐侵蝕性好等特點(diǎn)，主要由鋁、硅、鎂、鐵、錳、鋅、銅、鈦等金屬元素組成，是一種技術(shù)成熟的鋁合金材料。A356合金是一個(gè)典型的Al-Si-Mg系三元合金，是一個(gè)具有優(yōu)秀的綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能，可鑄造薄壁和形狀復(fù)雜的鑄件，而且通過熱處理可達(dá)到較高的強(qiáng)度、良好的塑性和高沖擊韌性的理想綜合，因此成為了汽車鑄造鋁輪轂的首選材質(zhì)。

2 ?綜述

2.1 固有元素

A356合金中，Si使合金具有高的流動(dòng)性與低的收縮率。Mg主要提高合金的強(qiáng)度，尤其是在熱處理以后。Ti元素有時(shí)以晶粒細(xì)化劑的形式加入合金中。Fe是主要的雜質(zhì)元素。Cu能提高合金的抗拉強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度，但會(huì)使抗蝕性有所下降。Mn可使組織中的粗大針狀含F(xiàn)e相，變?yōu)槌叽巛^小的塊狀化合物，降低Fe對(duì)合金的有害作用。Sr主要用于Mg2Si相變質(zhì)。

宋謀勝等[1]研究了不同Ti含量的A356合金的組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明：隨著Ti含量的增加，晶粒和一次枝晶都明顯細(xì)化，硅顆粒尺寸、縱橫比均有所降低，硅顆粒圓形度有所增加，硅顆粒形狀得到改善。但當(dāng)Ti含量大于0.1wt%時(shí)，這種影響變?nèi)?。起華榮等[2]研究了Si、Mg元素對(duì)A356合金流動(dòng)性能的影響，研究結(jié)果表明，在A356合金中，Si元素和Mg元素在允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加添加量，分別使鋁合金流動(dòng)性提高29.8%和14.34%。汪長(zhǎng)勤等[3]研究了Si、Mg含量對(duì)A356合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在A356合金中，Si元素和Mg元素在允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加添加量，能使合金在鑄態(tài)和T6態(tài)的力學(xué)性能都有一定程度提高;抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到320MPa和8.0%。

燕山大學(xué)蔡成等人[4]研究了Mn對(duì)A356合金組織和性能的影響。當(dāng)Mn含量為0.08wt%時(shí)，合金中針狀β-Fe相變得細(xì)小，其長(zhǎng)度、寬度與未添加Mn元素的合金相比，分別減小了44.13%和43.89%;當(dāng)Mn的添加量達(dá)到0.16wt%時(shí)，β-Fe相轉(zhuǎn)變率為95.17wt%，經(jīng)過熱處理后A356合金中的鐵相發(fā)生部分熔斷。當(dāng)Mn的加入量達(dá)到0.08wt%時(shí)，合金的塑性和抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最大值，此后再增加錳的含量，合金的塑性和強(qiáng)度基本上保持不變。

2.2 添加元素

目前對(duì)A356合金添加元素的研究主要以La、Ce、Sc、Y等稀土元素居多。改進(jìn)的途徑包括細(xì)化晶粒，改善硅相組織形貌，形成新的增強(qiáng)相等。

肖銀平等人[5]發(fā)現(xiàn)，添加稀土（主要成分為L(zhǎng)a和Ce）量在0.15wt%～0.45wt%之間時(shí)，可以降低合金組織針孔度，但是對(duì)改善硅相形貌作用不大。唐小龍等研究了混合稀土對(duì)Ti-B-Sr聯(lián)合細(xì)化變質(zhì)的A356鋁合金顯微組織的影響。結(jié)果表明，當(dāng)稀土添加量為0.1wt%～0.3wt%時(shí)，隨著稀土含量的增加，初晶晶胞尺寸、硅相尺寸、二次枝晶臂間距減小，硅相圓整度提高。高士學(xué)等研究了La對(duì)A356合金的組織和硬度的影響。結(jié)果表明，稀土La對(duì)α-Al相的細(xì)化和Si相的變質(zhì)都起到明顯作用。隨著La含量的增高，晶粒逐漸變小，加入0.4wt%La，α-Al相達(dá)到最小。加入0.2wt%La時(shí)，共晶Si相呈細(xì)小顆粒狀，繼續(xù)增加La含量到0.4wt%，變質(zhì)作用減弱;加入0.3wt%La時(shí)，Si相硬度達(dá)到最高。段海麗等研究了金屬La在不同含量、保溫時(shí)間以及澆鑄溫度條件下對(duì)A356鋁合金變質(zhì)作用的影響。結(jié)果表明，稀土含量為1.0wt%變質(zhì)效果最佳;La具有較長(zhǎng)的變質(zhì)失效時(shí)間;澆鑄溫度對(duì)其變質(zhì)效果影響不大。

王俊峰等研究了稀土Er對(duì)半固態(tài)成形的A356合金組織及性能的影響。結(jié)果指出，合金中添加0.1wt%的Er可以明顯的細(xì)化合金組織。同時(shí)，添加少量Er可以很好的變質(zhì)細(xì)化共晶硅相，使板塊狀的共晶硅細(xì)化。覃銘等研究了稀土Er和Zr聯(lián)合作用對(duì)A356鋁合金組織與性能的影響。當(dāng)Er的含量為0.2wt%和Zr的含量為0.3wt%及經(jīng)過T6處理時(shí)，合金的晶粒得到細(xì)化，綜合力學(xué)性能得到整體的提高。林裕涵研究了Sc對(duì)A356合金機(jī)械性能的影響，Sc含量為0.1wt%及0.25wt%時(shí)，枝晶間距分別減小30.7%及32.8%，同時(shí)延伸率及抗拉強(qiáng)度均有所提升。

汪長(zhǎng)勤等研究了稀土元素Y對(duì)A356合金顯微組織和拉伸性能的影響。結(jié)果表明：稀土Y是A356合金的一種優(yōu)良變質(zhì)劑，不但能使初生的α-Al晶粒變得圓整細(xì)小，二次枝晶間距減小，而且能使共晶硅由粗大的板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀或纖維狀。當(dāng)加入0.4%Y后，A356合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了298MPa和9.5%，分別提高了29.6%和21.5%。方東等研究了Ce對(duì)高Fe含量的A356合金鑄態(tài)顯微組織的影響。結(jié)果表明，添加Ce能將粗大針狀Fe相轉(zhuǎn)變成細(xì)小短棒狀Fe相，但過量的Ce會(huì)導(dǎo)致針狀Fe相長(zhǎng)度的增加。當(dāng)Ce的加入量為0.4wt%時(shí)，針狀Fe相的長(zhǎng)度最短;Ce可以細(xì)化α-Al晶粒，當(dāng)Ce的加入量為0.4wt%～0.7wt%時(shí)，可以對(duì)共晶硅起到較好的變質(zhì)效果，但當(dāng)Ce的加入量0.7wt%，變質(zhì)效果減弱。

胡詠梅等研究了單獨(dú)添加Al-5Ti-B和稀土Y以及兩者復(fù)合添加時(shí)對(duì)A356鋁合金半固態(tài)凝固組織的影響。研究結(jié)果表明，Al-5Ti-B和稀土Y對(duì)A356鋁合金半固態(tài)初生相的形貌及尺寸均有不同程度的改善。將兩者復(fù)合添加時(shí)，可顯著提高合金中初生相的形貌及尺寸，得到細(xì)小、圓整且分布均勻的半固態(tài)組織，其添加量的最佳組合為0.02%的Ti與0.5%的Y。

3 ?結(jié)語

目前對(duì)A356合金化所選的元素主要包括：Mg、Si、Mn、Ti、Fe、Cu、La、Y、Ce、Sc、Er等，其中大部分元素在有效范圍內(nèi)都可以起到細(xì)化晶粒，改善微觀組織、提高機(jī)械性能的作用。但是不同元素作用的機(jī)理不同，當(dāng)同時(shí)調(diào)節(jié)多種合金元素時(shí)，需要考慮聯(lián)合作用的效果。另外，各種元素的市場(chǎng)價(jià)格，以及輪轂企業(yè)的生產(chǎn)狀況也是研究中需要綜合考慮的因素。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋謀勝，劉忠俠，李繼文.加鈦方式與鈦含量對(duì)A356合金組織和性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2014（10）：1729-1735，2004

[2] 起華榮，楊鋼，史慶南.Si、Mg對(duì)鋁輪轂用A356合金流動(dòng)性的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2007，35（2）：19，22.

[3] 汪長(zhǎng)勤，趙玉濤，張松利，等.Si、Mg含量及合金元素對(duì)A356合金力學(xué)性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2010，30（1）：88-91.

[4] 蔡成.Mn含量對(duì)A356合金組織和性能的影響[D].燕山大學(xué)，2012.

[5] 肖銀平.稀土對(duì)汽車鋁輪轂用合金A356性能的影響[D].江西理工大學(xué)，2012.